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随着能源问题的日益紧张和环境问题的日益严峻，人们开始寻找新的替代能源以代替传统化石能源结构。能源结构的革命必将带来能源输送和使用网络的变革。电化学储能为解决储能问题提供了最具潜力的选项。电极是化学能和电能转换场所，涉及复杂的化学反应，电子及物质的输运过程。通过合理多尺度构筑电化学电极，能够提高化学能和电能转换的可逆性及动力学速率，从而保证整个电化学装置的效率和功率密度。本论文以碳基纳米材料电极设计制备及电催化性能为研究对象，主要研究内容包括以下几个方面:
1.石墨烯/无机纳米材料制备。在乙二醇体系中发展了一种低温常压制备尖晶石结构钴锰氧化物纳米棒和石墨烯纳米复合材料的方法。这种方法以尿素为“媒介”，醋酸锰和醋酸钴为前驱体，石墨烯为载体，通过常压一步法在石墨烯表面原位生长出尖晶石结构钴锰氧化物纳米棒。作为氧还原催化剂，钴锰氧化物纳米棒和石墨烯复合材料表现出良好的催化活性。碱性条件下氧还原过程中表现出准4电子还原过程，催化活性同商品化20％Pt/C接近。低温制备过程使钴锰氧化物纳米棒表面存在大量缺陷，结合石墨烯的高比表面积和高导电性特点，赋予了这种催化剂大量用于吸附氧的活性中心，便利的电子转移条件，从而使整个纳米复合材料表现出优良的氧还原催化性质;
2.自修复氧还原催化剂设计制备。设计了一种具有一定自修复能力的氧还原催化剂，这种催化剂是以CoO和g-C3N4核壳结构为基础，负载在高比表面积和高导电性的石墨烯表面，形成高活性高稳定性的氧还原催化剂。在负载量适当条件下，这种催化剂在碱性条件下表现出准4电子的氧还原催化性质。催化剂在-0.25V处的动力学电流密度为16.78 mAcm-2，接近同样条件下的20％Pt/C催化剂活性，半波电位ΔE1/2同商用催化剂20％Pt/C只相差25mV。这种催化剂具有一定的自修复能力，使得它在氧还原催化过程中具有较好稳定性。
3.BCN结构调控。采用“自下而上”的化学气相沉积方法，在常压下通过分解含硼，碳和氮的固体物质，制备了BCN片层结构材料。通过调整前驱体的成分配比和合成温度，可制备硼和氮分开状态的硼、氮掺杂石墨烯结构h-BCN，或者硼、氮结合成在一起，形成BN团簇和石墨结构分离的s-BCN。在掺杂硼和氮的协同作用下，h-BCN在碱性条件下表现出良好的氧还原催化性质。
4.氮掺杂石墨烯液流电池正极材料研究。用尿素作为膨胀剂和氮源，制备了氮掺杂石墨烯，并研究了其作为全钒液流电池正极材料的催化性质。发现氮掺杂的石墨烯，特别是在900℃下制备的氮掺杂石墨烯，对正极的[VO]2+/[VO2]+氧化还原电对具有良好的催化性质:其阴极和阳极电子转移电阻分别为4.74±0.51和7.27±0.42欧姆，在50 mVs-1扫描速度下的峰值电位差和峰值电流比分别为ΔE=100 mV, Ipa/Ic=1.38。进一步研究发现，其催化性质不依赖于氮的掺杂总量，而同特定形式的氮有关。石墨结构的氮，由于它在酸性条件下高的稳定性特点，使他具有较好的催化活性。而其它几种形式的氮则在酸性条件下发生质子化变得不稳定。由于氮电负性较高，掺入石墨烯以后容易在氮的表面形成负电中心，所以便于吸附正电离子。这些正电离子和氮元素形成N-V过渡态，提供了便利的电子转移通道，从而保证了高的催化活性。